Crescimento epitaxial de polegada

Nature Communications volume 13, número do artigo: 3238 (2022) Citar este artigo

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Semicondutores bidimensionais (2D), especialmente dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), foram considerados candidatos promissores na extensão da lei de Moore. Para conseguir isso, o crescimento controlável de cristais únicos de TMDs em escala de wafer ou padrões periódicos de cristal único são questões fundamentais. Aqui, apresentamos uma rota universal para sintetizar matrizes de fitas TMDs de monocamada unidirecionalmente orientadas (por exemplo, MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, MoSxSe2-x), usando as bordas escalonadas de facetas Au de alto índice de miller como modelos. Cálculos da teoria do funcional da densidade relativos à cinética de crescimento de bordas específicas foram realizados para revelar a transição morfológica de domínios triangulares para fitas padronizadas. Mais intrigantemente, descobrimos que as fitas de TMDs uniformemente alinhadas podem se fundir em filmes monocristalinos através de um modo de crescimento epitaxial de borda unidimensional. Este trabalho apresenta um caminho alternativo para a síntese direta de TMDs monocamadas uniformes em escala de polegadas, monocristais ou fitas padronizadas, que devem promover suas aplicações como materiais de canal em eletrônica de alto desempenho ou outros campos.

Os dichalcogenetos de metais de transição semicondutores (TMDs) bidimensionais (2D) atraíram um enorme interesse por suas aplicações de ampla gama em eletrônica, optoeletrônica, catálise, etc.1,2,3. A morfologia ou dimensionalidade dos DTMs é um fator crítico para determinar suas propriedades físicas. Por exemplo, prevê-se que a fita MoS2 monocamada unidimensional (1D) possua novas propriedades, como estados de borda metálica4, plasmons confinados 1D5, comportamentos ferromagnéticos6, etc. os abundantes locais de borda ativa7 e, mais importante, mantiveram a alta mobilidade da portadora8. Até agora, a fabricação de fitas de TMDs monocamadas dependeu em grande parte de abordagens de micro-nanofabricação, usando técnicas de padronização por feixe de elétrons ou litografia óptica . No entanto, estes métodos de cima para baixo são evidentemente tediosos e geralmente precisam começar com filmes ou cristais contínuos uniformes de grandes áreas.

Recentemente, várias estratégias foram desenvolvidas para a síntese direta de fitas de TMDs de monocamada , como gotículas de Na-Mo-O impulsionadas pelo crescimento em monocristais de NaCl , síntese dirigida por substrato em substratos de Si (001) pré-tratados com fosfina , bem como borda epitaxia dirigida em β-Ga2O3 (100)13. Estas estratégias conseguiram individualmente o controle da sua espessura, orientação e dimensionalidade, no entanto, a síntese de fitas TMDs possuindo todas as vantagens acima não foi realizada.

Os monocristais TMDs de monocamada em escala de wafer, caracterizados por cristalinidade intrinsecamente alta e propriedade extremamente uniforme, têm sido perseguidos há muito tempo. No entanto, devido às estruturas não centrossimétricas das DTMs, domínios antiparalelos e limites gêmeos geralmente evoluíram na maioria dos substratos de crescimento, semelhantes aos encontrados na preparação de h-BN. Ultimamente, o crescimento em escala de wafer do cristal único de monocamada h-BN foi alcançado usando Au líquido como substrato através da auto-colimação de grãos circulares de h-BN . Cristais únicos de h-BN em monocamada em escala de wafer também foram realizados em substratos Cu (110) 18 e Cu (111) 19, onde a nucleação e o crescimento dos domínios h-BN foram predominantemente guiados pelas bordas da etapa do substrato. Muito recentemente, nosso grupo percebeu o crescimento epitaxial de monocristais MoS2 monocamada em escala de polegada em filmes Au (111), demonstrando o potencial para o crescimento orientado unidirecionalmente de grãos TMDs. Apesar dessas conquistas, as tentativas bem-sucedidas em relação ao crescimento de monocristais de TMDs em monocamada em escala de wafer em substratos de Au permanecem muito limitadas . Enquanto isso, o crescimento guiado por etapas de TMDs de cristal único também foi explorado em substratos isolantes de safira . Particularmente, monocamadas de MoS2 e WS2 de cristal único em escala de polegadas foram alcançadas em substratos de safira planos CA e A, nos quais a nucleação de MoS2 e WS2 ocorre ao longo das bordas do degrau <10\(\bar{1}\)0> de safira, comprovando ainda mais o efeito das bordas dos degraus no alinhamento dos domínios das DTMs. No entanto, a direção da borda escalonada na safira é altamente dependente da direção do corte errado, e é bastante difícil manter um ângulo de corte fixo com uma precisão tão alta (por exemplo, 1°) em uma escala de polegadas.